用于空間矢量調制和增強型空間矢量調制的偽零矢量的制作方法
【專利摘要】一種執行用于PWM控制的空間矢量調制，以產生AC波形的方法，該方法包括生成并對參考信號采樣，以產生參考樣本；以及執行參考矢量的近似，以合成與至少一個參考樣本相關聯的參考矢量。參考矢量近似在其形成中采用活動矢量、一個或多個零矢量、以及一個或多個偽零矢量。執行空間矢量調制（SVM）的另一種方法包括產生參考信號并以采樣頻率對該參考信號進行采樣，以產生多個參考樣本。該方法還包括執行參考矢量的近似，以合成與參考樣本的至少一個參考樣本相關聯的參考矢量，其中所述參考矢量近似在其形成中具有采用兩個相鄰活動矢量的第一部分，和采用兩個不相鄰活動矢量的剩余部分。
【專利說明】用于空間矢量調制和增強型空間矢量調制的偽零矢量
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于在例如電機控制應用中使用偽零矢量執行針對PWM控制的空間矢量調制，或增強型空間矢量調制，或二者以便產生AC波形的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]空間矢量調制(SVM)是一種用于控制脈沖寬度調制(PWM)的算法。其被用于產生交流電流(AC)波形；最常見的是從DC以不同的速度驅動三相交流供電的電機。SVM有許多變化形式，這導致不同的質量和計算要求。
[0003]如圖1所示的三相逆變器100必須受到控制，從而在任何時候同一臂的兩個開關都不能接通，否則DC供電將被短路。這一要求可通過在臂中開關的互補操作來滿足。也就是說，如果A+是接通，則A—是斷開，反之亦然。這導致針對逆變器100可能具有八個開關矢量，Vtl至V7，具有六個活動的開關矢量和兩個零矢量，如圖2的圖表110所示。
[0004]為了實現空間矢量調制，利用頻率為fs(Ts=l/fs)對參考信號Vief進行采樣。參考信號可能從三個單獨的相位參考值，例如使用α β Y變換。然后使用兩個相鄰的活動開關矢量和一個或兩個零矢量的組合來合成參考矢量。存在選擇矢量序列的順序和使用哪個零矢量的各種策略。矢量的策略性選擇將影響到諧波含量和開關損耗。
【發明內容】
[0005]本公開涉及一 種用于執行針對PWM控制的空間矢量調制以便產生交流波形的方法。該方法包括生成并采樣參考信號以生成參考樣本，并執行參考矢量的近似，以合成與至少一個參考樣本相關聯的參考矢量。參考矢量近似在其形成中采用活動矢量、一個或多個零矢量、以及一個或多個偽零矢量。
[0006]在該方法的一個實施例中，偽矢量包括其間具有180°的角度差的兩個活動矢量的組合。在另一個實施例中，組合形成偽矢量的兩個活動矢量具有相同的標量幅度。
[0007]在該方法的另一個實施例中，偽矢量包括其間具有120°的角度差的三個活動矢量的組合。在另一實施例中，組合形成偽矢量的三個活動矢量具有相同的標量幅度。
[0008]在該方法的一個實施例中，參考矢量近似中的活動矢量包括相鄰的活動矢量。在另一實施例中，參考矢量的一部分由兩個相鄰的活動矢量近似，參考矢量的剩余部分由兩個不相鄰的活動矢量近似。根據一個實施例，由活動矢量驅動的參考矢量的一部分由變量m代表，其中O≤m≤I,由活動矢量驅動的參考矢量的剩余部分由Ι-m代表。當m=l時，由活動矢量驅動的整個參考矢量由兩個鄰近矢量近似，而當m=0時，由活動矢量驅動的整個參考矢量由兩個不相鄰的活動矢量近似。在一個實施例中，不相鄰的活動矢量彼此相離120。。
[0009]根據本發明的另一個實施例，控制系統包括空間矢量調制器，其被配置為接收多個參考信號樣本，并執行參考矢量的近似，以合成與參考樣本的至少一個相關聯的參考矢量。參考矢量近似在其形成中采用活動矢量、一個或多個零矢量、以及一個或多個偽零矢量，其中所述空間矢量調制器基于參考矢量近似輸出定時信號。所述控制系統還包括脈寬調制單元，其被配置為接收來自空間矢量調制器的定時信號，并且基于其輸出脈寬調制控制信號，以及三相逆變器，其被配置為接收所述脈寬調制控制信號并基于其產生交流電流波形。
[0010]在該控制系統的一個實施例中，偽矢量包括其間具有180°的角度差的兩個活動矢量的組合。在另一個實施例中，組合形成偽矢量的兩個活動矢量具有相同的標量幅度。
[0011]在該控制系統的另一個實施例中，偽矢量包括其間具有120°的角度差的三個活動矢量的組合。在另一實施例中，組合形成偽矢量的三個活動矢量具有相同的標量幅度。
[0012]在該控制系統的一個實施例中，參考矢量近似中的活動矢量包括相鄰的活動矢量。在另一實施例中，參考矢量的一部分由兩個相鄰的活動矢量近似，參考矢量的剩余部分由兩個不相鄰的活動矢量近似。在一個實施例中，參考矢量的一部分由變量m代表，其中
O^ m ^ I,其中參考矢量的剩余部分由Ι-m代表。當m=l時，由活動矢量驅動的整個參考矢量由兩個鄰近矢量近似，而當m=0時，由活動矢量驅動的整個參考矢量由兩個不相鄰的活動矢量近似。在一個實施例中，不相鄰的活動矢量彼此相離120°。
[0013]在控制系統的一個實施例中，三相逆變器包括在形成第一相輸出的節點處連接在一起的第一串聯連接開關對、在形成第二相輸出的節點處連接在一起的第二串聯連接開關對、以及在形成第三相輸出的節點處連接在一起的第三串聯連接開關對。所述逆變器還包括分流電阻器，與第一端子連接到第一、第二和第三串聯連接開關對的每一個的下節點，并且第二端子耦合到參考電位，以及具有分別耦合到分流電阻器的第一和第二端子的第一和第二輸入的放大器，其中所述放大器的輸出反映了導通所述分流電阻器的電流水平。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]根據本公開的示例實施例將在下文中參照附圖進行更加詳細地描述，其中:
[0015]圖1是用于生成交流波形的三相逆變器的示意圖；
[0016]圖2是示出用于切換圖1的三相逆變器的開關的各種矢量的圖表；
[0017]圖3是示出圖2的圖表的基本電壓空間矢量的六邊形示意圖；
[0018]圖4是示出按照常規技術的參考矢量近似的六邊形示意圖；
[0019]圖5是示出用于常規空間矢量調制(SVM)的歸一化的時間相對于參考矢量角度的曲線圖；
[0020]圖6A-6E是示出了基本偽零矢量的六邊形示意圖，其中圖6A-6C示出兩個活動矢量的組合，圖6D-6E示出三個活動矢量的組合；
[0021]圖7A-7B示出使用一個偽零矢量的參考矢量的近似，諸如根據一個實施例在圖6A-6C中所示的那樣；
[0022]圖8示出使用兩個偽零矢量的參考矢量的近似，諸如根據一個實施例在圖6A-6C中所示的那樣；
[0023]圖9是示出針對根據圖7A-7B的實施例的參考矢量的最大逆變器DC鏈路電壓利用率相對于λ的曲線圖；
[0024]圖10是示出使用偽零矢量的常規空間矢量調制(SVM)的歸一化的時間相對于參考矢量角度的曲線圖，諸如根據一個實施例的圖7Α-7Β所示。[0025]圖11是示出針對根據圖8的實施例的參考矢量的最大逆變器DC鏈路電壓利用率相對于λ的曲線圖；
[0026]圖12是示出使用偽零矢量的常規空間矢量調制(SVM)的歸一化的時間相對于參考矢量角度的曲線圖，諸如根據一個實施例的圖8所示。
[0027]圖13Α-13Β是示出諸如電機控制系統的控制系統模塊圖，其根據本發明的一個實施例采用在參考矢量的近似中使用偽零矢量空間矢量的空間矢量調制器；
[0028]圖14是分別在極坐標和笛卡爾坐標中示出參考矢量的空間矢量六邊形；
[0029]圖15是示出諸如圖13Α-13Β中所示的根據一個實施例采用單個分流電流感測的控制系統中的三相逆變器的模塊圖；
[0030]圖16Α-16Β示出針對圖7Α-7Β的示例的5段開關序列的示例；
[0031]圖17Α-17Β示出針對圖8的示例的5段開關序列的示例；
[0032]圖18Α-18Β示出針對圖8的示例的6段開關序列的示例；
[0033]圖19Α-19Β示出針對圖8的示例的7段開關序列的示例；
[0034]圖20示出對應于圖18Α所示的開關序列的DC鏈路電流；
[0035]圖21是示出根據一個實施例利用一個偽零矢量的可替換的參考矢量近似的空間矢量六邊形；
[0036]圖22Α-22Β是示出根據本發明一個實施例利用三個相鄰的活動矢量的采用增強型SVM的參考矢量近似的空間矢量六邊形；
[0037]圖23Α-23Β是示出根據一個實施例采用增強型SVM在m=0的情況下的參考矢量近似，從而參考矢量僅通過不相鄰的活動矢量進行近似的空間矢量六邊形；
[0038]圖24是示出根據本發明一個實施例的針對增強型SVM的最大逆變器DC鏈路電壓利用率相對于m的曲線圖；
[0039]圖25A-25B是分別示出根據一個實施例在m=0.8和m=0.2時針對增強型SVM的歸一化時間相對于參考角度曲線的曲線圖；
[0040]圖26是示出根據一個實施例在m=0時針對增強型SVM的歸一化時間相對于參考角度曲線的曲線圖，；
[0041]圖27A-27B是示出諸如電機控制系統的一種控制系統的框圖，根據本公開的一個實施例，所述控制系統采用增強型SVM，所述增強型SVM在對參考矢量進行近似中可以包括不相鄰的活動矢量；
[0042]圖28是分別示出增強型SVM在極坐標和直角坐標中的參考矢量的空間矢量六邊形；
[0043]圖29是示出諸如圖27A-27B所示的控制系統中的三相逆變器的框圖，所述控制系統采用根據一個實施例的單個分路電流感測；
[0044]圖30A-30B示出根據一個實施例的針對增強型SVM的4段開關序列的示例；
[0045]圖31A-31B示出根據一個實施例的針對增強型SVM的6段開關序列的示例；
[0046]圖32A-32B示出根據一個實施例在m=0時針對增強型SVM的3段開關序列的示例；
[0047]圖33A-33B示出根據一個實施例在m=0時針對增強型SVM的5段開關序列的示例；[0048]圖34示出了對應于圖31A所示的開關序列的DC鏈路電流；
[0049]圖35A-35B是示出增強型SVM的特殊情況的空間矢量六邊形，其中圖35A示出m ^ I的情況，以及圖35B示出m < O的情況,其中四個活動矢量被用于對參考矢量進行近似，其中圖35A示出相鄰的活動矢量，以及圖35B示出不相鄰的活動矢量。
【具體實施方式】
[0050]在一些情況下，相同的附圖標記在下文中被用于具有相同或相似功能特性的對象和功能單元。此外，各種示例性實施例的可選特征可以相互組合或由彼此替換。
[0051]對于工業和汽車電機控制裝置，SVM被普遍使用在PMSM (永磁同步電機)和ACM(交流感應電機)的正弦換向控制(諸如V/f，F0C (磁場定向控制)，和DTC (直接轉矩控制))，以從三相逆變器生成正弦波形。當相比于雙分路和三分路電流感測技術，采用單個分路電流感測電阻器插入在逆變器DC鏈路中的正弦換向電機控制是一個理想的解決方案，這是因為其具有諸如成本低、間接性等重要優點。但是，一個脈寬調制(PWM)周期內的兩個電流樣本是正確的帶有單個分路電流感測的電機相電流重構所需的。然而，常規SVM技術中，準確的電流構造在下列情形中是困難的:(1)參考電壓空間矢量正在穿過扇區邊界，由于只能測量一個電流樣本(這種情況發生在許多情況下)和(2)當調制指數低和采樣間隔太短時，沒有電流樣本可以獲取(這通常發生在超低速電機控制)。
[0052]本公開為SVM提出了一種偽零矢量的新概念(可替換地這可以被稱為準零矢量，或合成零矢量)，以解決上述問題。通過新的使用偽零矢量的SVM，能夠給顧客提供低成本、高質量、更可靠、以及獨特的電機控制方案(例如，具有單個分路電流感測的無傳感器的F0C)o新的使用偽零矢量的SVM也可以在用于不間斷電源、可再生能源等的三相電力逆變器控制中使用。
[0053]已有常規SVM的 參考矢量近似130和空間矢量圖(正六邊形)120分別在圖3和4中示出。€到6是活動矢量。G和之不會在逆變器輸出中產生任何電壓差，并且它們是已
有SVM中僅有的兩個零矢量(或被動矢量)。旋轉的參考矢量ν,ν/\.ep是由兩個相鄰的
活動矢量(例如，扇區A中的0、V2 )和一個或兩個已有零矢量(例如僅$ )近似的。空間矢
量六邊形的平面被分割為從A到F六個扇區，而&,的角度Θ被轉換成每個扇區中相對的
角度Kef。使用扇區A中的參考矢量作為示例，下面部分示出已有的或常規的SVM的計算。
[0054]使用伏秒平衡:
[0055]IW/ * =-- +(i)
iSiS
[0056]Ts = To+T^Ts (2)
[0057]對方程(I)和(2 )求解，可以得到:
[0058]T1 = Kstn (60。- Θ ref).Ts (3)
[0059]T2 = Kstn ( Θ ref).Ts (4)
[0060]加上方程(3)和(4)，可以得到:[0061]I\+T2 = Kstn (60。+ Θ ref).Ts (5)
[0062]因此所述零矢量時間是:
[0063]T0 = Ts-(T^T2) = [1-Kstn(60° + Θ ref) ].Ts (6)
[0064]其中:Ttl:應用零矢量的時間。零矢量可以是&000].或Qm]，或二者。T1-第一活動矢量(例如，扇區A中的g)的時間被應用在一個采樣周期內，
[0065]T2-第二活動矢量(例如，扇區A中的I72)的時間被應用在一個采樣周期內，
[0066]
【權利要求】
1.一種執行用于脈寬調制(PWM)控制的空間矢量調制(SVM)，以產生交流電流(AC)波形的方法，所述方法包括: 生成參考信號并以采樣頻率對所述參考信號采樣以生成多個參考樣本；以及執行參考矢量近似以將與所述參考樣本的至少一個參考樣本關聯的參考矢量合成，其中所述參考矢量近似在其形成中采用活動矢量、一個或多個零矢量、以及一個或多個偽零矢量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中偽矢量包括其間具有180°的角度差的兩個活動矢量的組合。
3.根據權利要求2所述的方法，其中組合形成所述偽矢量的所述兩個活動矢量具有相同的標量幅度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中偽矢量包括其間具有120°的角度差的三個活動矢量的組合。
5.根據權利要求4所述的方法，其中組合形成所述偽矢量的所述三個活動矢量具有相同的標量幅度。
6.根據權利要求1所述的 方法，其中所述參考矢量近似中的所述活動矢量包括相鄰的活動矢量。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述參考矢量的一部分由兩個相鄰的活動矢量來近似，并且所述參考矢量的剩余部分由兩個不相鄰的活動矢量來近似。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述參考矢量的一部分由變量m來代表，其中O≤m≤1，并且其中所述參考矢量的所述剩余部分由Ι-m來代表，其中當m=l時，整個所述參考矢量由兩個相鄰的活動矢量來近似，并且其中當m=0時，整個所述參考矢量由兩個不相鄰的活動矢量來近似。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述不相鄰的矢量彼此分離120°。
10.一種控制系統,包括: 空間矢量調制器，被配置為接收多個參考信號樣本并且執行參考矢量近似以將與所述參考信號樣本的至少一個參考信號樣本關聯的參考矢量合成，其中所述參考矢量近似在其形成中采用活動矢量、一個或多個零矢量、以及一個或多個偽零矢量，并且其中所述空間矢量調制器基于所述參考矢量近似來輸出定時信號； 脈寬調制單元，被配置為從所述空間矢量調制器接收所述定時信號，并且基于所述定時信號來輸出脈寬調制控制信號；以及 三相逆變器，被配置為接收所述脈寬調制控制信號并且基于所述脈寬調制控制信號來生成交流電波形。
11.根據權利要求10所述的控制系統，其中偽矢量包括其間具有180°的角度差的兩個活動矢量的組合。
12.根據權利要求11所述的控制系統，其中組合形成所述偽矢量的所述兩個活動矢量具有相同的標量幅度。
13.根據權利要求10所述的控制系統，其中偽矢量包括其間具有120°的角度差的三個活動矢量的組合。
14.根據權利要求13所述的控制系統，其中組合形成所述偽矢量的所述三個活動矢量具有相同的標量幅度。
15.根據權利要求10所述的控制系統，其中所述參考矢量近似中的所述活動矢量包括相鄰的活動矢量。
16.根據權利要求10所述的控制系統，其中所述參考矢量的一部分由兩個相鄰的活動矢量來近似，并且所述參考矢量的剩余部分由兩個不相鄰的活動矢量來近似。
17.根據權利要求16所述的控制系統，其中所述參考矢量的一部分由變量m來代表，其中OSmS 1，并且其中所述參考矢量的所述剩余部分由Ι-m來代表，其中當m=l時，整個所述參考矢量由兩個相鄰矢量來近似，并且當m=0時，整個所述參考矢量由兩個不相鄰的活動矢量來近似。
18.根據權利要求16所述的控制系統，其中所述不相鄰的活動矢量彼此分離120°。
19.根據權利要求10所述的控制系統，其中所述三相逆變器包括: 在形成第一相輸出的節點處連接在一起的第一串聯連接開關對； 在形成第二相輸出的節點處連接在一起的第二串聯連接開關對； 在形成第三相輸出的節點處連接在一起的第三串聯連接開關對； 分流電阻，用第 一端子連接到所述第一串聯連接開關對、所述第二串聯連接開關對和所述第三串聯連接開關對中的每個串聯連接開關對的下節點，并且用第二端子耦合到參考電位；以及 放大器，具有分別耦合到所述分流電阻的所述第一端子和所述第二端子的第一輸入和第二輸入，其中所述放大器的輸出反映流過所述分流電阻的電流水平。
【文檔編號】H02P27/08GK104009702SQ201410057929
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2013年2月20日
【發明者】趙濤, A·拉本斯泰恩, T·K·甘, C·K·郭, S·M·王 申請人:英飛凌科技股份有限公司